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3D打印機技術總結

2022-02-10

1、選擇性激光燒結（SLS)

其原理是，激光選擇地逐層燒結固體粉末（材料除了主體金屬粉末外還需要添加一定比例的熔點較低的粘結劑粉末，粘結劑粉末一般為熔點較低的金屬粉末或是有機樹脂等），同時將燒結成型的粉末疊加至已固化的粉末層上，最終形成所需形狀的零件。這種技術依賴的核心器件是紅外激光器，能源工作環境為氬氣或氮氣氣氛。具有制造工藝簡單、生產效率較高、成型材料種類多、材料利用率高、成品用途廣泛、無需考慮支撐系統等優勢。缺點是由于粘接劑的作用，實體存在孔隙，力學性能差，需要高溫重熔再加工。此外，當產品存儲時間過長時，會因為內應力釋放而變形，表面質量一般。運營成本較高，設備費用較貴。

2、選擇性激光熔化(SLM)

該技術與 SLS 技術主要區別在于 SLM 通過激光器對金屬粉末直接進行熱作用，不依賴粘結劑粉末，金屬粉末通過熔化、凝固從而達到冶金結合的效果，最終獲得所設計結構的金屬零件。SLM 技術為了更好的融化金屬需要使用金屬有較高吸收率的激光束，所以一般使用的是 Nd-YAG 激光器（1.064 微米）和光纖激光器（1.09 微米）等波長較短的激光束。優點是 SLM 技術使用純金屬粉末，成型的金屬零件致密度可達接近 100%；抗拉強度等機械性能指標優于鑄件，甚至可達到鍛件水平；致密度力學性能與成型精度上都要比SLS好一些。另一種技術——選區電子束熔煉技術（EBM）與 SLM 技術相似，不同之處是 EBM 利用高速電子束流的動能轉換為熱能作為熱源來進行金屬熔煉，工作環境為真空。電子束做熱源，相比于激光可實現更高的熔煉溫度，且爐子功率和加熱速度可調，能熔煉難熔金屬，并且能將不同的金屬熔合。但是也存在金屬收得率較低、比電耗較大、嚴格真空要求等缺點。

3、定向能量沉積(DED) 這項技術工作原理類似 SLM

由激光或其他能量源在沉積區域產生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀通過噴嘴直接噴射到高功率激光器的焦點上，熔化后逐層沉積，形成所需零件。相比于 SLM 技術的優勢之處在于，第一，該技術允許激光頭和工件更靈活地移動，從而增加設計自由度。第二，在 DED 設備運行中，惰性氣體直接從激光頭流出并包圍粉末流和熔池，不依賴于充滿惰性氣體的壓力室，3D 打印加工過程可以立即開始，大大壓縮了生產準備時間。第三，能生產大型零件，且不需要任何支撐結構。缺點在于熔化過程不如 SLM 精確，成品部件通常必須進行再加工。

4、微噴射粘結技術（3DP）

3DP 技術與 SLS 工藝類似，采用陶瓷、石膏粉末成形。不同之處在于，材料粉末不是通過激光器燒結固體粉末連接起來的，而是通過粘接劑打印頭沿零件截面路徑噴射透明或者彩色粘結劑并將粉末凝固，其他位置的粉末作為支撐，之后再鋪設一層粉末，循環該過程直至打印完成。3DP 技術主要依賴的核心器件是粘接劑打印頭，優點在于成型材料范圍廣，能耗小，設備體積小。但是缺點也顯而易見，粘接劑粘接的零件強度較低，需要后處理，產品疏松多孔。以色列 Objet 公司研制的 Polyjet3D 技術與 3DP 類似，不過噴射的不是粘合劑而是光敏聚合成型材料。目前，Polyjet3D 技術已經成為美國 Stratasys 公司的亮點。首先，多種基礎材料可在機外混合，組合可得到性能更為優異的新材料。其次，產品精確度可達 16 微米的分辨率，可獲得流暢且非常精細的部件與模型。最后，該技術用途廣泛，可適用于不同幾何形狀、機械性能及顏色部件的打印，例如：Polyjet Matrix 技術還支持多種型號、多種顏色材料同時噴射。

5、熔積成型法（FDM）

其工作原理是將絲狀原材料（一般為熱塑性材料）通過送絲機送入熱熔噴頭，然后在噴頭內加熱熔化，熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，擠出半流動的熱塑材料沉積固化成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。該項技術主要依賴微細噴嘴（直徑一般為 0.2～0.6mm）以及加熱器（保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上 1℃)。

其優點是 1、無需激光器等貴重原件，成本低、速度快。 2、對使用環境沒有限制，可以放在辦公室或者家庭環境使用，維護簡單、體積小無污染 3、材料易更換、強度韌性較高，極大地縮短了產品開發周期，從而能夠快速響應市場變化，滿足顧客的個性化需求。但是也存在零件精度低以及難以形成復雜構件和大型零件等缺陷。

6、分層實體制造法（LOM）

這種方法以片材（如紙或塑料薄膜等）為原材料，根據計算機掃描得出的零件橫截面，通過激光裁剪，將背面涂有熱熔膠的片材按零件的輪廓裁剪，之后將裁剪好的片層疊加至已裁好的片層上，利用熱壓裝置將其粘結在一起，然后再進行下一層零件橫截面的裁剪、粘合，最終形成實體零件。 LOM 技術主要依賴熱熔膠的性能，具有模型支撐性好，廢料易剝離，制件尺寸大，成本低，效率高等優點。缺點是抗拉強度和彈性差，不能制造中空件；受制于材料影響，利用 LOM 技術打印的零件易吸濕膨脹，表面有臺階紋。

7、立體光固化成型法（SLA）

SLA 技術的原理是，在計算機控制下，紫外激光按零件各分層截面數據對液態光敏樹脂表面逐點掃描，使被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層，一層層固化直到整個零件制作完畢。該技術主要依賴紫外激光器和適合的光敏材料。一方面，液態樹脂材料成型，固化方式由點到線，由線到面，制作的產品精度較高，表面質量較好。另一方面，樹脂類材料本身存在一些缺陷，例如：強度，剛度，耐熱性有限，不利于長時間保存，樹脂固化過程中產生收縮，不可避免地會產生應力或引起形變。雖然 SLA 技術發展較早，目前較為成熟，但是 SLA 設備造價依舊高昂，維護和使用成本高，而且需要設計工件的支撐結構。國際標準化組織轄下增材制造技術委員會發布 ISO/ASTM 52900：2015 標準將增材技術分為 7 大類，分別是：立體光固化（SLA）、粘結劑噴射(3DP)、定向能量沉積(DED)、薄材疊層（LOM）、材料擠出(FDM)、材料噴射（PloyJet）、粉末床熔融（SLM、SLS、EBM）。

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